地质雷达正演方法及实测岩溶技术应用

摘要：临沂地区地貌单元为河流冲洪积平原类型，下伏基岩主要为奥陶系石灰岩，该层岩溶裂隙主要在表层发育，存在串珠状裂隙的破碎带，常见充填粘土、碎石。地质雷达可以无损且快速的大范围探测岩溶，保障施工建设顺利进行。为提高探测质量和图像解译精度，正演模拟是必须的，作者以现场常见地质灾害为模型，正演结果和实测相比对，为复杂地质雷达图像的异常甄别提供了依据。

关键词：地质雷达 正演 岩溶 粘土

Abstract: the linyi area for rivers geomorphic units of flood plains rushed in type, fell under the bedrock mainly for the ordovician limestone, this layer karat fracture main in surface development, existence of fissures beads-strings fracture zone, common filling clay, gravel. Geological radar can nondestructive and fast detection range of karst, security construction smoothly. In order to improve the detection quality and image interpretation accuracy, the forward modeling is necessary, the author on the geological disasters common for model, the modeling results and the measured compared to, for the complex geological radar image abnormal screened to provide the basis.

Keywords: geological radar forward modeling karst clay

中图分类号：F407.1文献标识码：A 文章编号：

临沂地区地貌单元为河流冲洪积平原类型，下伏基岩主要为奥陶系石灰岩，该层岩溶裂隙主要在表层发育，存在串珠状裂隙的破碎带，常见充填粘土、碎石。岩溶发育造成的不良地质，对建筑物地基的影响是显而易见的。因此地基施工前，对基岩进行地质雷达探测，根据雷达图像，识别真异常的位置及范围，并采用合适的工艺对地基进行加固成了该区以后建筑工程必然面临的问题。

地质雷达是一种使用高频电磁波探测地下介质分布的非破坏性探测仪器。它通过剖面扫描的方式获得地下剖面的扫描图像。雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波，在地下旅行的电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射。电介质间的电性差异越大，反射回波能量也越大。

反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确地记录下反射回波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下剖面的扫描图像。通过对雷达图像的判读，便可得到地下目标物的分布位置和状态。

一、地球物理特征

本次物探场区上部为第四系冲洪积的砂土、粘性土等覆盖层，厚度较小，下伏基岩主要为奥陶系石灰岩。现场上部覆盖层已经挖除，基坑底部入岩2～5m。

由现场勘察及开挖情况，可知，岩溶发育比较剧烈，溶孔、溶洞密集成串珠状，其内以充填粘土为主。地下水发育，局部裂隙贯通，成导水通道。

根据在本区地质雷达探测经验，灰岩的相对介电常数为6～8，电导率为10-9～2.5×10-2 s/m，电磁波速为0.11～0.12×10-9 m/s；粘土（湿）的相对介电常数为8～12，电导率为10-1～1 s/m，电磁波速为0.06×10-9 m/s；纯水的相对介电常数为81，电导率为10-4～3×10-2 s/m，电磁波速为0.033×10-9 m/s。

二、模型

本次正演程序为GPRMAX2D及MATLAB7.0，前者基于 FDTD 算法，该算法是K.S.Yee在1966年提出来的[1]。该方法直接求解依赖于时间变量的Maxwell旋度方程组。GPRMAX2D是爱丁堡大学的Dr Antonis Giannopoulos于1996年推出来的一种基于 FDTD算法和PML边界吸收条件的探地雷达正演数值模拟软件，用于探地雷达成像研究[2]。MATLAB7.0用于模型及正演图像输出。

针对本场地现状，本次模型设计为溶蚀形态、溶蚀在水平和垂直方向连续分布两种情况。前者设计有矩形和圆形，后者有水平分布、垂直分布。

选择区域为5.0m×0.5m，背景为灰岩，天线中心频率为900MHz，异常置可以从输入正演文件box及cylinder中得知，模型示意图见图1。

图1 正演几何模型示意图

三、地质雷达正演方法

打开GPRMAX2D程序，部分输入文件如下：

#medium: 8.0 0.0 0.0 0.1 1.0 0.0 Limestone

#medium: 12.0 0.0 0.0 1.0 1.0 0.0 clay

#medium: 81.0 0.0 0.0 0.003 1.0 0.0 fresh_water

#box: 0.0 0.0 5.5 0.45 Limestone

#box: 0.2 0.18 0.4 0.22 clay

#box: 0.6 0.18 0.8 0.22 clay

#box: 1.0 0.18 1.2 0.22 fresh_water

#box: 2.0 0.10 2.4 0.16 clay

#box: 2.2 0.30 2.4 0.33 clay

#box: 3.0 0.10 3.2 0.16 clay

#box: 3.0 0.30 3.2 0.33 clay

#box: 4.2 0.10 4.4 0.16 clay

#box: 4.0 0.30 4.4 0.33 clay

#cylinder: 4.8 0.28 0.1 clay

运算可得图2。

图2 各类不良地质的正演模拟图

由图2可知：

1、介电常数和电导率等电性参数对图像影响明显，尤其是高介电常数地质体会产生强反射波，造成多次波增多。

2、地质体形态对图像有一定的影响，矩形通常会形成平顶拱形异常，圆形的会产生标准的双曲线特征。

3、水平分布，若采集点距密集，可以识别单个异常体；垂向分布上方地质异常体会一定程度上屏蔽下方异常，对下方地质体的雷达响应有所干扰。

四、实测图像

图3 实测柱墩下基岩溶蚀发育区地质雷达图像

图3为顺时针绕柱墩两周测量剖面所得伪彩色图，以北方向为起点，从图像上看，两周一致性较好，柱墩南侧基岩垂向溶蚀发育，中心位置在1.5m深度，后经钻孔验证，注浆加强基础。

图4 实测基岩下溶蚀发育区及导水通道地质雷达图像

图4为一长12.4m剖面的波形变面积图，从图像上看，桩号5.0～7.5m深度4m左右基岩溶蚀发育；桩号8.0～12.0m深度2.0米以下波形强反射，并多次波明显增多，为地下导水通道。后经钻孔验证，注浆加强基础。

五、结论

通过对岩溶发育不同情形的正演计算，与实测相比对，证明利用GPRMAX2D和MATLAB7.0进行地质雷达正演数值模拟是可行且有效的。

综上所述，地质雷达施工前，调查场区地球物理特征，分析异常形态分布，建立理论模型，选择参数正演，对物探成果质量的提高有着很大的作用。

参考文献：

［1］Yee K S. Numerical solution of initial boundary value problem involving Maxell equations in isotropic media [J ]. IEEE Trans Antennas Propagate, 1966, 14(3 ):302～307

［2］Giannopoulos A. The investigation of transmission - line matrix and finite - difference time – domain methods for the forward problem of ground probing radar[D], University of York, Department of Electronics ,York ,UK;1997

［3］葛德彪 , 阎玉波. 电磁场时域有限差分方法[M]. (西安): 西安电子科技大学出版社, 2002

［4］周奇才 李炳杰 郑宇轩等基于GPRMax2D的探地雷达图像正演模拟[J]. 工程地球物理学报,2008,5(4)

［5］邓世坤，王惠濂.探地雷达图像的正演合成与偏移处理[J].地球物理学报，1993,36(4)

［6］.探地雷达数值模拟技术的应用研究[D].中国地质大学.2005

［7］汪谋.公路隧道衬砌地质雷达正演数值模拟和室内模型试验的研究[D].同济大学,2007［8］User’s Manual of GprMax2D version 2.0.

［9］刘杰.探地雷达技术在铁路既有线中的应用[J].铁道建筑,2006,22(10)